基于GIS技术的常山胡柚冻害风险评估

高操　张方敏　孙瑜

摘要：对常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）冻害进行风险评估，为常山县胡柚种植提高产量及冻害防灾减灾提供科学指导。通过自然灾害风险指数及层次分析法，综合考虑常山县致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力4个方面的影响，确定常山县胡柚冻害的风险分布情况。常山县胡柚冻害地区分布不均匀，从西南到东北冻害风险有递增趋势。西南部是遭受冻害的低风险区，更适宜胡柚的种植，而东北部及南部的山地丘陵地带是遭受冻害的高风险区，不适宜胡柚的种植。冻害区划可以为今后胡柚的种植及防灾减灾提供指导。

关键词：胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；冻害；等级划分；风险区划

中图分类号：S666 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）09-0108-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.026

Application of GIS to Risk Assessment of Frost Damage of Changshan Grapefruit

GAO Cao1，ZHANG Fang-min2，SUN Yu2，LI Lan-xin2，LIU Jiang2，LI Wei-peng2，HUANG Chong3

（1.Guodian Environmental Protection Research Institute，Nanjing 210031，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；3.Quzhou Meteorological Center，Quzhou 324000，Zhejiang，China）

Abstract： To evaluate the risk of freezing damage of Changshan Grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou），and to provide scientific guidance for Grapefruit production in Changshan county and the prevention of freezing damage. Through the natural disaster risk index and the analytic hierarchy process，the dangerousness of freezing disaster-causing factors，the environmental susceptibility of the disaster，the vulnerability of the disaster-bearing body and the ability of disaster prevention and mitigation of freezing damage were studied. According to the risk division map of Grapefruit in Changshan county，it was found that the distribution of the freezing damage in Changshan county was uneven. The risk of freezing damage increases from southwest to northeast. The southwest region is the lowest risk area of freezing damage，and more suitable for the cultivation of grapefruit. In contrast，the northeastern and southern mountainous hills is a highly risk area of frost damage，so it is less suitable for the cultivation of Grapefruit. Results provide guidance for the Grapefruit cultivation and freezing disaster prevention and reduction for grapefruit.

Key words： grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；freezing damage；grading；risk zoning

常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）是浙江省特有的珍貴的地方良种杂柑[1]。近年来，极端天气频发，加重了低温危害，给胡柚造成减产甚至绝收[2，3]。研究发现当最低气温降至-4～-5 ℃时，冬季负积温达20 ℃·d以上，低于0 ℃天数达15 d以上，将造成胡柚苗木和幼龄树不同程度的冻害[4-6]。贝增明等[5]提出当温度低于-13.7 ℃胡柚枝条将被冻死。汪红燕等[7]在研究中发现若极端最低气温持续在 -3 ℃以下，将对胡柚产量造成极大影响，如果连续 3 d以上最低气温低于-3 ℃会引起较严重的减产。

常山胡柚作为常山县特有的地方柑橘良种，拥有极高的商品经济价值。由于常山县地处柑橘种植的北缘地区，冻害不仅影响胡柚的生长发育，导致产量下降，品质降低，而且削弱树势，降低果树抗寒能力[2]。基于冻害对该地区胡柚的影响研究目前还比较少，本研究通过建立常山胡柚冻害等级指标及其灾损评估标准，客观评估胡柚冻害的风险区划情况，为胡柚种植提供指导。

1 材料与方法

数据资料包括常山胡柚主要种植区的16个气象台站2013—2016年的气象观测资料、30 m分辨率高程（DEM）数据、人口数据及胡柚种植产值数据。

通过计算得到年极端最低气温Tmin（℃）和低于-5 ℃的持续天数，然后采用反距离加权方法进行30 m×30 m的插值处理。利用DEM数据在ArcGIS 10.2中计算得到30 m分辨率的坡度和坡向。对于16个乡镇街道胡柚种植面积、胡柚产量和人口3个指标，先将其数字化到常山县行政区划面状矢量图上，然后再在ArcGIS 10.2中转换成30 m×30 m的栅格数据。

2 风险评估系统的建立方法

2.1 确立风险评估指标

本研究基于自然灾害风险形成机制，采用自然灾害风险指数法（Natural Disaster Risk Index，简称NDRI）[8，9]，即自然灾害风险度=危险性×敏感性×脆弱性×防灾减灾能力，综合考虑致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力4个方面影响估算冻害对胡柚的影响，综合确立常山胡柚冻害风险评估指标。

2.2 计算评价因子权重

采用层次分析法确定综合区划指标权重。层次分析法是将多层次、多准则的复杂问题分解为各个组成因素，将这些因素按支配关系分组形成有序的阶层次结构，通过两两比较的方式，确定层次中各因素的相对重要性，再加以综合以决定评价因子的相对重要性顺序，也就是权重[2]。

1）建立层次结构模型。首先把复杂问题分解为不同的层次。同一层次的要素作为准则，对下一层的某些要素起支配作用，同时它又受上一层次要素的支配。

2）构造判断矩阵。将同一层中各因素相对于上一层而言进行两两比较，对每一层中各因素相对重要性给出一定的判断，并进行两两因素之间的比较，就形成了判断矩阵。

3）CR检验。对判断矩阵所求的权重是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，检验公式为CR=CI/RI。公式中CR为判断矩阵的一次性比率，CI为判断矩阵的一般一致性指标，RI为判断矩阵。当CR<0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数是分配合理的，否则就需要调整判断矩阵，直到取得具有满意的一致性为止。

根据常山胡柚生长发育的实际情况，选取年极端最低气温（Tmin）和低于-5 ℃的持续天数作为胡柚冻害致灾因子危险性指标；选取海拔高度和坡向作为胡柚冻害孕灾环境敏感性指标；选择地均胡柚面积和地均胡柚产值作为承灾体脆弱性指标；选取国内生产总值和人口等表示常山县的防灾减灾能力。根据层次分析法，分别计算得出年极端最低气温（Tmin）、低于-5 ℃的持续天数、海拔高度、坡向、地均胡柚面积、地均胡柚产值、国内生产总值和人口的权重系数。

通过层次分析法计算得到年极端最低气温Tmin（℃）和低于-5 ℃的持续天数权重系数分别为0.6和0.4；海拔高度和坡向权重系数分别为0.65和0.35；胡柚种植面积和胡柚产量权重系数分别为0.55和0.45；人口数权重系数为0，国内生产总值权重系数为1。

2.3 建立风险评估系统

由于所选指标的单位和量级不同，为了便于计算，首先对各指标值进行预处理，即将各指标量化成可计算的0～1之间的无量纲指标，计算公式如下：

3 胡柚冻害风险评估

由图1可知，常山县胡柚冻害致灾因子危险性由东南向西北递增，南部低于北部，说明北部低温天气更多，发生冻害的危害性更大，南部较为温暖，发生冻害的危害性相对较小。冻害发生的低危险区主要分布于常山县东南部的水南村和湖头村，冻害发生的可能危害最小；周边的古县村、三衢石林、五里亭村等发生冻害的危险性也较低，属于次低危险区。相比而言，常山县东北部的詹村、芙蓉湖村及新昌村最易遭受冻害，特别是詹村遭受冻害的危害最严重；西南部比如红旗岗村、长风电站、十八里村等及东北中部的金源村属于中等危险区。

由图2可知，常山县中部地形较为平坦，如长风电站、官庄桥村、十八里村等，属于冻害孕灾环境低敏感区。常山县东北部、西北部、南部多为山地丘陵地带，属于冻害孕灾环境高敏感区，特别是东北部的詹村和芙蓉湖村附近为冻害孕灾环境高敏感区，更易遭受冻害。

考虑胡柚种植面积及产量分析冻害对胡柚承灾体脆弱性，如图3所示，常山縣西南部脆弱性低于东北部和东南部。西南的长风电站、官庄桥村及十八里村属于低脆弱区，胡柚种植面积大，能获得较高的产量。而东南部的古县村、水南村及湖头村由于丘陵地带，种植面积及产量都不大，但是该区域为高脆弱区，而东北部的詹村和芙蓉湖村及中部的三衢石林为胡柚受冻害影响的中脆弱区。

考虑各乡镇常住人口分析冻害防灾减灾能力，由图4可知，两个高风险区和两个低风险区，从西南向东北呈现交替分布的状态。西南部山岭村及红旗岗村和偏中部的三衢石林、水南村、湖头村的防灾减灾能力高，受冻害后恢复能力最强；其次是东北部的詹村、芙蓉湖村，属于次高防灾减灾能力区。偏西南中部的长风电站、官庄桥村、十八里村及偏东北中部的新昌村、金源村人口较少，受灾后不能更快地恢复，防灾减灾能力较低。

综合考虑常山县胡柚致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性及防灾减灾能力，得到冻害风险空间分布，如图5所示。从图5可知，常山县胡柚冻害风险大致呈现东高西低的趋势。西南部和中北部的红旗岗村、长风电站、官庄桥村、十八里村、五里亭村属于低风险区，是胡柚种植的最适宜区，受冻害影响最小，灾害后能更快恢复。东北部至南部属于丘陵地区，是胡柚冻害的高风险区，不适宜胡柚的种植。但是不同地区不适宜种植的原因不同，比如东北部的詹村、芙蓉村等，虽然胡柚对冷害脆弱性很强，同时该地区针对冷害的减灾防灾能力强，但是该地区的冷害对胡柚的危险性和敏感性很强，造成该区域是胡柚受冻害影响的高风险区，而南部的湖头村等是虽然冷害发生的危险性低，减灾防灾能力强，但是胡柚对冷害影响很敏感也很脆弱，所以造成该区域也是胡柚种植受冷害影响的高风险区。

4 结论与讨论

根据常山县的气象资料、地形、人口经济、胡柚种植信息等建立了胡柚的冻害风险评估模型，定量对影响胡柚的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性及防灾减灾能力进行了分析，评价了影响常山县胡柚的冻害风险情况。总体上，从西南到东北冻害风险有递增趋势。西南部地势较为平坦，温度适宜，种植面积大，人口较多，胡柚产量大，灾后能更快地恢復，是遭受冻害的低风险区，长风电站及官庄桥村一带虽人口较少，防灾减灾能力较弱，但气候、地形条件适宜，所以适宜大范围的种植胡柚。而东北部属于山地丘陵地带，低温天气多，种植面积少，产量相对较低，灾后恢复能力差，属于冻害高风险区。南部的湖头村一带虽然较为温暖，天气条件适宜，人口较多防灾能力强，但地属山地丘陵，地形的条件限制了胡柚的种植与生长，只适宜小范围的种植。中部地区由于其气候条件、地形条件及人口条件等适中，属于冻害中风险、次高风险区。影响冻害风险的因素中气象因子占主要部分，地形的影响次之，人口分布及胡柚种植面积都受这两个因素影响，从而影响胡柚产量及灾后恢复。

依托GIS系统技术下，考虑气象要素、地理要素、社会经济人口要素进行综合考虑，得到直观的、科学的区划，可以科学地指导胡柚种植，搭建了应用气象与农业的桥梁[10]，为以后更多的应用做准备。结合遥感反演技术和GIS技术将是未来区域评估的重要应用手段[11，12]。风险区划能直观地大致指导生产实践活动，但是由于数据的精度及时效性[13-15]，可能区域评估在实际应用中有一定的偏差，这就要求未来加强精细化工作的开展，更进一步地提高区划精度。

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